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灰色弹性隔热阻燃外墙涂料的研制

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0 前言
节约资源、节能减排、生态环保、低碳循环经济发展模式是我国的基本国策。我国是建筑能耗大国,单位面积采暖能耗相当于气候条件相近国家的2~3倍,建筑能耗已占社会总能耗的1/3,建筑节能任重道远。依据住建部制定的建筑节能总体规划,未来几年,全国城镇新建筑节能达到50%,北方和沿海经济发达地区实现建筑节能65%。
目前,EPS板、XPS板、PU硬质泡沫等有机保温材料占据了我国外墙保温市场的80%以上。虽然有机保温材料具有导热系数小、保温性能好的特点,但是其防火性能差。针对近年来我国连续发生外保温工程火灾事故,公安部、住建部联合发文,明确规定民用建筑外保温材料采用燃烧性能为A级产品。一般有机保温材料的燃烧性能是B2级以下,经科技人员努力研发,目前能达到B1级。采用B1级有机保温材料做外保温层时,必须做好包括抗裂抹面砂浆、外墙腻子及饰面涂料组成的不燃保护层,以便达到保温装饰一体化系统的整体不燃防火要求。作为EPS、XPS板、PU发泡材料的外墙保温系统的饰面涂料,除应具有高装饰性、高耐候性、高耐沾污性、低污染性外,还应具有柔韧抗裂性、热反射隔热性、防火阻燃性等功能。太阳热反射隔热外墙涂料可有效反射太阳光热,降低建筑物表面温度,减少太阳辐射热向室内传导,节省空调制冷耗电量。目前,市场上应用的太阳光反射隔热涂料80%以上为白色,且氧指数低于27,阻燃防火性能差。本文研制的灰色弹性隔热阻燃外墙涂料,可满足民用建筑实现不同彩色装饰性、保温节能性和安全防火性三兼顾的要求。
 
1 试验部分
1.1 原材料
表面紫外光固化弹性纯丙烯酸乳液,进口;改性硅溶胶,自制;改性聚磷酸铵,杭州捷尔思;ALTIRIS红外反射颜料,亨斯迈;黑色颜料,自配;助剂,市售。
1.2 基础配方
灰色弹性隔热阻燃外墙涂料的基础配方,见表1。
灰色弹性隔热阻燃外墙涂料基础配方
1.3 制备工艺
(1)制备复配黑色水性色浆;水+分散润湿剂+消泡剂+复配黑色颜料,分散、研磨。
(2)将一定量去离子水加入分散罐内,中速搅拌下加入各种助剂进行预分散,再加入红外反射颜料及阻燃剂改性聚磷酸铵,高速分散30 min,经砂磨机研磨细度至40 μm成浆料,将研磨浆打入调漆罐内,中低速搅拌下加入弹性乳液、改性硅溶胶、余量消泡剂、增稠剂、黑色浆搅拌20 min,过滤,包装。
1.4 主要性能检测
(1)常规性能指标按JG/T 172—2005《弹性外墙涂料》标准进行检测;
(2)太阳热反射隔热性能按照JG/T 1040—2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》的技术要求检测;
(3)耐燃性能按照GB 12441—2005《饰面型防火涂料》通用技术条件进行检测。
(4)氧指数测定:将涂层裁成200 mm×20 mm×1mm试片,利用JF-3氧指数测定仪,调节氧气和氮气的浓度,将涂层试片点火,观察涂层持续燃烧时氧气的浓度。
 
2 结果与讨论
2.1 基料树脂的选择
基料树脂是构成涂料的主要成膜物,是决定涂膜理化性能优劣的关键材料。本研究的外墙涂料,其基本特性要求是弹性、隔热、阻燃,因此所选用的树脂必须符合下述性能:(1)具有优异的弹性;(2)涂膜透明度高,对太阳能的吸收率低,树脂中应少含C—O—C、C=O、—OH等吸热基团,丙烯酸乳液符合上述要求;(3)尽可能高的氧指数,以便对涂料体系涂层的耐燃性能减少负面影响。
本研究灰色弹性涂料的设计目标,其主要性能为:拉伸强度≥1.5 Mpa;延伸率≥150%;阳光反射率≥70%;半球发射率≥85%;氧指数≥32。根据上述要求,选择了表面紫外光固化弹性丙烯酸乳液,这是一款具有固含量高、成膜温度低、表面紫外光固化、广泛温度下优异的弹性、高耐候性、高耐沾污性和机械稳定性等特点的乳液,并且涂膜还具有高透明性、透气“呼吸”功能、低吸热性能。由于该乳液涂膜的氧指数较低(<22),属于可燃性材料,且在配方中用量(35%~45%)较大,势必会削弱涂料的阻燃性能,故此,又选择了无机不燃的硅溶胶与之复配作基料。为了解决二者直接复配存在的贮存不稳定性问题,本试验对硅溶胶进行了改性处理,从而提高了有机-无机复合基料的相容性和贮存稳定性。在基础配方中其他因素不变的条件下,只改变弹性乳液与改性硅溶胶的质量配比,分别制备成涂料,按照设计目标性能,检验涂膜的抗拉强度、延伸率、氧指数,结果见表2。
弹性乳液/硅溶胶比例对涂膜性能的影响
注:氧指数<22属易燃材料,22~27属可燃材料,>27为难燃材料。
由表2可知,在基料用量一定的条件下,随着改性硅溶胶用量的增加,涂膜的抗拉强度相应提高、氧指数增大,而延伸率相应降低。当m(弹性乳液)∶m(改性硅溶胶)=4∶0.5时,涂膜的抗拉强度、延伸率和氧指数均达到设计目标要求。
2.2 颜料的选择
弹性隔热阻燃外墙涂料作为有机发泡外保温系统的饰面涂料有三大优点:(1)弹性涂膜可有效遮蔽保温防护层的温变裂纹;(2)热反射涂层可反射和辐射太阳光热,降低墙面温度,减少辐射热向墙体内部传导;(3)高氧指数涂膜可有效提高保温系统的整体防火安全性。
2.2.1 白色颜料的选择
为了提高涂料的太阳热反射隔热性能,选用的颜料应有尽可能高的光散射性能,对可见光和近红外光的反射率越大越好;为了将涂层吸收的太阳辐射热通过大气窗口(8~13.5)发射出去,还要选择有较高发射率的颜填料配合使用[1]。一般隔热涂料选用金红石型钛白粉、空心玻璃微珠、红外粉、矿物粉搭配作颜填料,且颜色单一,95%以上为白色[2]。为了制备对总太阳能具有高反射率的不同色调的彩色外墙涂料,本试验选用ALTIRIS红外反射颜料作白色颜料,以反射率较高的有机、无机彩色颜料复配作着色颜料,无论选择哪种颜色,ALTIRIS颜料都可提供高太阳能反射率。
ALTIRIS红外反射颜料是一种经过精心设计和改性的二氧化钛高反射率颜料,以反射红外波原理加工成的,是由近红外线反射颜料、白色填料、超细热红外线反射颜料组成颜料体系,该颜料既有对太阳光的高反射功能,又有对吸收热的高发射功能,同时还有超强的耐用性和弱电性,可有效降低涂层的电荷积累,减少带电污染物附着。在常用的彩色外墙涂料中,在不加或少加钛白粉条件下,添加红外反射颜料可大幅度提高涂膜的太阳能反射率。根据所需要的色调和颜色选择合适的ALTIRIS颜料类型(550、880)。固定灰色弹性隔热阻燃外墙涂料基础配方中其他因素不变,根据涂膜涂刷厚度选择ALTIRIS颜料的添加量。见表3。
有色涂膜最终膜厚与ALTIRIS颜料标准体积函数关系
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